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Der TGFβ-Signalweg ist ein multifunktionales System, das zelluläre Prozesse reguliert, die von Proliferation und Migration bis zu Differenzierung und Zelltod reichen. Nach Ligandenbindung und Rezeptoraktivierung translozieren SMAD-Proteine zum Zellkern und induzieren die Expression zahlreicher Zielgene. Während viele Komponenten des TGFβ-Signalweges identifiziert wurden, verstehen wir noch nicht genau, wie die Aktivierung des Signalwegs in verschiedene zelluläre Antworten übersetzt wird. Da die zelluläre Antwort auf einen gegebenen Stimulus oft sogar in genetisch identischen Zellen variiert, konzentrierte ich mich auf die Messung der Signalwegaktivität auf der Einzelzellebene. Durch die Kombination fluoreszierender Reporterzelllinien mit Zeitraffer-Lebendzellmikroskopie und automatisierter Bildanalyse beobachtete ich die zytoplasmatische und nukleäre Translokation von SMADs mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Hunderten einzelner Zellen. Unsere Experimente zeigten, dass die Signalwegaktivität in eine erste synchrone Phase der SMAD-Translokation, gefolgt von einer Adaption und einer zweiten Signalphase mit hoher Variabilität in Stärke und Dauer der nuklearen Akkumulation unterteilt werden kann. Darüber hinaus beobachtete ich, dass Zellen, die aufgrund ihrer dynamischen Eigenschaften in Subpopulationen gruppiert sind, unterschiedliche phänotypische Reaktionen zeigen. Ich war nun daran interessiert, die Netzwerkinteraktionen zu identifizieren, die diese Dynamiken formen und fokussierte mich auf den Crosstalk mit nicht-kanonischen Komponenten des TGFβ-Signalweges. Ich konnte zeigen, dass die Hemmung der MAP Kinasen p38 und ERK die zweite Signalphase spezifisch aufhebt. Diese dynamische Remodellierung führt zu Veränderungen in der Zielgenexpression und den Zellschicksalen. Dies wird zu einem tieferen Verständnis der molekularen Netzwerke führen, die die TGFβ-Signaltransduktion regulieren und Möglichkeiten eröffnen, es in erkrankten Zellen zu modulieren. / The TGFβ pathway is a multi-functional signaling system regulating cellular processes ranging from proliferation and migration to differentiation and cell death. Upon ligand binding and receptor activation, SMAD proteins translocate to the nucleus and induce expression of numerous target genes. While many components of the TGFβ pathway have been identified, we are still challenged to understand how pathway activation is translated into distinct cellular responses. As the cellular response to a given stimulus often varies even in genetically identical cells, I focused on measuring pathway activity on the single cell level. By combining fluorescent reporter cell lines with time-lapse live-cell microscopy and automated image analysis, I monitored the cytoplasmic to nuclear translocation of SMADs with high temporal and spatial resolution in hundreds of individual cells. Our experiments demonstrated that pathway activity can be divided into a first synchronous phase of SMAD translocation, followed by adaptation and a second signaling phase with high variability in the extent and duration of nuclear accumulation. Furthermore, I observed that cells clustered into subpopulations according to their dynamic features show different phenotypic responses. I was interested in identifying the network interactions that shape these dynamics and focus on crosstalk with non-canonical components of the TGFβ pathway. I could show that inhibition of the MAP kinases p38 and ERK specifically abrogates the second signaling phase. This dynamic remodeling led to changes in target gene expression and cell fate decisions. I explored the molecular mechanisms underlying this interaction of the canonical and non-canonical pathways. This will provide a deeper understanding of the molecular networks regulating TGFβ signaling and open opportunities to modulate it in diseased cells.

Die heterogene Biologie der diffusen großzelligen B-Zell-Lymphome (DLBCL) und die daraus resultierenden Unterschiede in Therapieansprechen und Prognose stellen ein wesentliches Problem in der aktuellen Therapie von DLBCL dar. Anomalien im kanonischen Wnt-Signalweg und seinen natürlichen Antagonisten wie secreted frizzled-related proteins (SFRPs) sind für verschiedene solide und hämatologische Malignome als wichtige Bestandteile der Tumorgenese und Tumorprogression identifiziert worden. Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe lieferten Hinweise für die Bedeutung von Wnt3a und SFRP4 in der Regulation von DLBCL. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, welche Rolle dem Protein SFRP4 in der Wachstumsregulation von diffusen großzelligen B-Zell-Lymphomen zukommt. Die Synthese von SFRP4 wurde in den als Modellzelllinien genutzten humanen DLBCL-Zelllinien nachgewiesen. Unter Verwendung von rekombinantem humanen SFRP4 sowie einer mittels lentiviraler shRNA erzeugten Expressionsreduktion von SFRP4 konnte gezeigt werden, dass SFRP4 zu einer Expansionshemmung sowie zu einer reduzierten Klonogenität bei DLBCL-Zellen führt. Als Ursache für diese Effekte konnte die Inhibition des kanonischen Wnt-Signalwegs durch SFRP4 identifiziert werden. SFRP4 wurde hinsichtlich seiner Bedeutung für die Ausprägung der Side Population (SP), einer Tumorzellsubpopulation mit repopulativem Potenzial, in DLBCL-Zellen untersucht. Dabei wurde sowohl durch exogene Zugabe als auch durch Reduktion von SFRP4 auf Transkriptebene die Bedeutsamkeit von SFRP4 für die SP-Regulation gezeigt. Untersuchungen zur differentiellen SFRP4-Expression sowie SFRP4-Promotormethylierung in Side Population versus non-Side Population wiesen epigenetische Mechanismen in der Regulation des SP-Phänotyps nach. Das DNA-demethylierende Medikament 5-Azacytidine reduzierte in DLBCL-Zelllinien Expansion sowie Klonogenität. Darüber hinaus beeinflusste 5-Azacytidine den kanonischen Wnt-Signalweg und den SFRP4-Gehalt der DLBCL-Zellen. Die Bedeutung von Exosomen als interzelluläre Kommunikatoren, die Wnt-Proteine transportieren, wurde unter besonderer Berücksichtigung von SFRP4 evaluiert. Sowohl SFRP4 als auch Wnt3a waren in der Exosomen- und der Mikrovesikelfraktion von DLBCL-Zellen nachweisbar. Die Exosomen waren in der Lage, den kanonischen Wnt-Signalweg an den Zielzellen zu aktivieren und Einfluss auf die Side Population zu nehmen. Insgesamt wurde für SFRP4 erstmalig eine hemmende Wirkung auf das Wachstum von DLBCL-Zellen demonstriert. Weiterführende Studien können adressieren, inwiefern die aufgezeigten Mechanismen der Wachstumsmodulation von DLBCL-Zellen durch SFRP4 in therapeutischen Anwendungen genutzt werden können.

Die Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Fettlebererkrankung. In der Einleitung wird auf die aktuelle Relevanz der Gesundheitsstörung und Therapiemöglichkeiten eingegangen, insbesondere durch das, in der Therapie des Diabetes mellitus Typ 2 gebräuchliche Biguanid Metformin. Der Bezug zu molekularbiologischen Signalwegen wird hergestellt und verschiedene in vitro Modellsysteme werden vorgestellt. Anschließend wird auf die Herkunft und genetische Besonderheiten der verwendeten primären Maushepatozyten und Hepatomzellen eingegangen, bevor die angewandten Methoden vorgestellt werden. Zum Einsatz kam in dieser Arbeit vor allem die Lipidmessung mittels Fettrot, um das Ausmaß an Steatosis quantifizierbar zu machen. Im Ergebnisteil folgen zuerst Versuche zur Zytotoxizität der einzelnen Chemikalien und deren Einfluss auf intrazelluläre Energieniveaus, bevor der Einfluss auf die hepatozellulären Fetteinlagerungen im Detail untersucht wird. Unterstützt werden die Ergebnisse durch mikroskopische Bilder der Hepatozyten, welche die beschriebenen Effekte verdeutlichen. Insgesamt konnten folgende Thesen aufgestellt werden: • Zwischen primären Hepatozyten von Wildtyp- und Knockout-Mäusen, bestehen nach 24 stündiger Kultivierung Unterschiede bezüglich des intrazellulären Lipidgehaltes, welche sich nach 72 stündiger Kultivierungszeit nivellieren. • Metformin- und Fructoseinkubation senken den intrazellulären ATP-Gehalt, gleichzeitige Anwesenheit von Metformin und Glucose vermindern den Effekt. • Durch 72-stündige Inkubation der primären Hepatozyten und Behandlung mit Metformin konnte der intrazelluläre Lipidgehalt um circa 40% gesenkt werden. • Durch 72-stündige Inkubation der primären Hepatozyten mit Glucose konnte der intrazelluläre Lipidgehalt um circa 100% gesteigert werden. • Bei humanen Hepatomzellen (HuH7) konnte kein Metformin- und kein Glucoseeffekt beobachtet werden. • Der LXR-Agonist TO901317 wirkt auf den intrazellulären Lipidgehalt Metformin entgegen.

The interplay between biochemical signals and mechanical processes during animal development is key for the formation of tissues and organs with distinct shapes and functions. An important step during the formation of many tissues is the formation of compartment boundaries which separate cells of different fates and functions. Compartment boundaries are lineage restrictions that are characterized by a straight morphology. Biochemical signaling across compartment boundaries induce the expression of morphogens in the cells along the boundaries. These morphogens then act at long-range to direct growth and patterning of the whole tissue. Compartment boundaries stabilize the position of morphogens and thereby contribute to proper tissue development. The straight morphology of compartment boundaries is challenged by cell rearrangements caused by cell division and tissue reshaping. Physical mechanisms are therefore required to maintain the straight morphology of compartment boundaries. The anteroposterior (A/P) compartment boundary in the developing Drosophila melanogaster wing is established by biochemical signals. Furthermore, mechanical processes are required to maintain the straight shape of the A/P boundary. Recent studies show that mechanical tension mediated by actomyosin motor proteins is increased along the A/P boundary. However, it was not understood how biochemical signals interact with mechanical processes to maintain the A/P boundary. Here I provide the first evidence that Hedgehog signaling regulates mechanical tension along the A/P boundary. I was able to show that differences in Hedgehog (Hh) signal transduction activity between the anterior and posterior compartments are necessary and sufficient to maintain the straight shape of the A/P boundary, which is crucial for patterning and growth of the adult wing. Moreover, differences in Hh signal transduction activity are necessary and sufficient for the increase in mechanical tension along the A/P boundary. In addition, differences in Hh signal transduction activity are sufficient to generate smooth borders and to increase mechanical tension along ectopic interfaces. Furthermore, the differential expression of the transmembrane protein Capricious is sufficient to increase mechanical tension along ectopic interfaces. It was previously suggested that mechanical tension is generated by an actomyosin-cable through which the increase in mechanical tension is transmitted between the junctions along the A/P boundary. Here I show that mechanical tension is generated locally at each cell bond and not transmitted between junctions by an actomyosin cable. My results provide new insights for our understanding of the interplay between biochemical signals and mechanical processes during animal development.

Hedgehog is a lipid-linked morphogen that is carried on lipoprotein particles and that regulates both patterning and proliferation in a wide variety of vertebrate and invertebrate tissues. Hyperactivity of Hedgehog signaling causes numerous forms of cancer. Hedgehog acts by binding to its receptor Patched, relieving the suppression of Smoothened and initiating Smoothened signaling. The mechanism by which Patched represses Smoothened has been unclear, but correlates with reduced Smoothened levels on the basolateral membrane. The structural homology of Patched with the Niemann-Pick-Type C1 protein and bacterial transmembrane transporters suggests that Patched might regulate lipid trafficking to repress Smoothened. However, no endogenous lipid regulators of Smoothened have yet been identified, nor has it ever been shown that Patched actually controls lipid trafficking. This work shows that, in Drosophila melanogaster, the Sterol-Sensing Domain of Patched regulates Smoothened trafficking from Patched-positive endosomes. Furthermore, it demonstrates that Patched recruits internalized lipoproteins to Patched-positive endosomes. Thereby, Patched regulates the efflux of specific lipoprotein-derived lipids from this compartment via its Sterol-Sensing Domain and utilizes these lipids to destabilize Smoothened on the basolateral membrane. We propose that Patched normally promotes Smoothened degradation and subsequently downregulates its activity by changing the lipid composition of endosomes through which Smoothened passes. For this purpose, Patched utilizes a specific lipid – possibly a modified sterol or sphingolipid – derived from lipoproteins. Further, we suggest that the presence of Hedgehog on lipoprotein particles inhibits utilization of their lipids by Patched.

The liver is the central metabolic hub in organisms and a complex, intertwining regulatory network guarantees efficient liver processes. The morphogenic Hedgehog pathway was recently shown to play a role in regulating the underlying genetic program. Transgenic mouse models with hepatocyte-specific inactivation of Hedgehog signaling showed alterations in insulin-like growth factor homeostasis and in energy metabolism associated with increased lipid accumulation in the liver. In this thesis, it was possible to connect the observed infertility of female knockout mice with an unexpected activation of sex steroid synthesis in the liver. Associated with increased steroidogenic gene expression exclusively in hepatocytes, the plasma testosterone level was significantly elevated, which led to androgenization and an anovulatory phenotype. With these characteristics, the mouse model mimicked the human polycystic ovarian syndrome and suggested an influence of liver and hepatic Hedgehog signaling on reproduction under disease conditions. Further, murine liver metabolism was challenged with starvation starting at different times of day. The transcriptomic results were analyzed with a self-organizing map approach, allowing an intuitive interpretation of data and a thus far unknown diurnally different response of hepatic regulatory mechanisms due to starvation was revealed. In contrast to the manifoldly published and observed switch from energy-consuming to energy-providing processes due to starvation started in the morning, evening starvation led to a novel hepatic expression signature with decreased gluconeogenic gene expression and increased levels of lipid and steroid metabolism-related genes. These differences can be explained by the equally diurnally regulated expression of the corresponding regulatory transcription factors and hormones. Additionally, lipidome analysis confirmed the diurnal differences after starvation. Thus, this study emphasized the immense impact of circadian regulation on liver metabolism and suggests high accuracy when starvation is the focus of research to avoid varying results.:BIBLIOGRAPHISCHE DARSTELLUNG ................................................................................ II LIST OF ABBREVIATIONS .................................................................................................. III TABLE OF CONTENTS ....................................................................................................... IV SUMMARY ............................................................................................................................ 1 ZUSAMMENFASSUNG ......................................................................................................... 5 INTRODUCTION ................................................................................................................... 9 Liver architecture and metabolism ..................................................................................... 9 Diverse possibilities of liver metabolism regulation .......................................................... 10 Connection of Hedgehog signaling to hepatic metabolism ............................................... 10 Impact of feeding schemes on hepatic metabolism .......................................................... 13 Aims of the thesis ............................................................................................................ 14 References ...................................................................................................................... 15 CHAPTER 1 ........................................................................................................................ 18 CHAPTER 2 ........................................................................................................................ 39 PERSPECTIVE ................................................................................................................... 64 CURRICULUM VITAE ........................................................................................................... V PUBLICATIONS AND PRESENTATIONS ............................................................................ VI Publications ...................................................................................................................... VI Oral presentations ............................................................................................................ VI Poster presentations ........................................................................................................ VII AUTHOR CONTRIBUTION STATEMENT .......................................................................... VIII SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG .............................................................................. XII DANKSAGUNG .................................................................................................................. XIII

Das Ansprechen primärer Rektumkarzinome auf eine präoperative Radiochemotherapie ist äußerst heterogen. Resistente Karzinome stellen aufgrund der schlechteren Prognose ein großes klinisches Problem dar. Ziel ist daher eine Individualisierung der Therapie und die Identifikation neuer therapeutischer Angriffspunkte, um resistente Tumoren für die Therapie zu sensibilisieren. In vorangegangenen Studien konnte gezeigt werden, dass zwischen Respondern und Nonrespondern TCF4, ein Transkriptionsfaktor des Wnt/β-Catenin-Signalwegs, differentiell exprimiert ist. Zudem führt die Herunterregulation von TCF4 in kolorektalen Karzinomzelllinien zu einer Radiotherapiesensibilisierung. Um zu untersuchen, ob es sich um eine TCF4-spezifische Beobachtung handelt oder ob der Wnt/β-Catenin-Signalweg Radiotherapieresistenz vermittelt, wurde dieser Signalweg in den Zelllinien SW480, SW837, LS1034 und RPE inhibiert. Anschließend wurde die Radiotherapieresistenz der Zellen untersucht. Die Inhibition des Wnt/β-Catenin-Signalwegs mittels siRNA gegen β-Catenin führte zu einer signifikanten Radiotherapiesensibilisierung von SW480, SW837 und LS1034. Die Behandlung von kolorektalen Karzinomzelllinien und der Normalzelllinie RPE mit dem kleinmolekularen Wnt/β-Catenin-Signalweg-Inhibitor XAV939 führte zum Teil zu einer Radiotherapiesensibilisierung. Insgesamt scheint der Wnt/β-Catenin-Signalweg eine entscheidende Rolle in der Entstehung der Radio(chemo)resistenz zu spielen und stellt somit ein potentielles therapeutisches Ziel für zukünftige Therapieansätze des Rektumkarzinoms dar. Zudem wurde dem Wnt/β-Catenin-Signalweg eine weitere biologische Bedeutung zugeordnet. Ziel zukünftiger Bemühungen ist die weitere Validierung dieser Ergebnisse, die Aufdeckung der zugrunde liegenden Mechanismen und die Übertragung in ein in-vivo-Modell.

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